Способ термической переработки бытовых отходов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F23G5/00 

Изобретение относится к области переработки бытовых отходов и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для утилизации м-ycopa , а также при переработке отходов фабрик и заводов в металлургической промышленности.

Целью изобретения является улучшение экологической чистоты процесса за счет полного термического разложения составляющих отходов, повышение эффективности утилизации отходов за счет получения ценных продуктов и увеличения скорости их переработки расширение области применения за счет возможности переработки не-. рассортированных отходов.

На.фиг. 1 представлено устройство для термической переработки бытовых отходов; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - продольный разрез устройства с однока- нальной ванной с несколькими перегородками; на фиг. 4 - вид В на фиг. 1.

Устройство включает приемный бункер 1, загрузочное устройство 2 для отходов 3 с воронками 4 на двух уровнях, снабженными ворошителями 5, размещенных в емкости- накопителе б, шахту печи 7 с внутренней футеровкой 8 топливные горелки 9, плазменные горелки плазмотроны 10, ванну 11 со сводом 12 и перегородкой 13 между рабочим пространством шахты и ванной, окно 14 в перегородке, летку 15 для выпуска металла в подине ванны и сифонную летку 16 для выпуска расплава шлака, газоход 17 с встроенным в него электроразрядником 18-, графитовый электрод (или дополнительная плазменная горелка) 19, установленный в ванне над расплавом шлака 20, и расплав металла 21.

В шахте 7 выполнены вертикальные каналы 22 во внутренней футеровке шахты, топливные горелки установленные на выходе вертикальных каналов 22, выполненных

00

СО

о о о со

со

во внутренней футеровке 8 и заканчивающиеся соплом Лаваля 23, а выход расположен над расплавом шлака на высоте Н, плазменной горелки 10, установленные по примеру шахты 7.

Способ термической переработки бытовых отходов осуществляют следующим образом. Бытовые отходы (или технический нерассортированный мусор) вначале подготавливают для загрузки в приемный бункер печи. Подготовка включает частичную сортировку (извлечение черных металлов, крупногабаритных предметов), сушку до 10% по влажности, измельчение и брикетирование (по необходимости). Затем частично рассортированный мусор загружают в приемный бункер 1, из которого после открывания верхней воронки 4 загрузочного устройства 2 отходы перетекают в емкость-накопитель 6. После наполнения емкости-накопителя верхняя воронка 4 закрывает отверстие в приемном бункере 1, открывается нижняя воронка 4 и отходы под действием силы тяжести и ворошителя 5 непрерывно поступают в шахту 7 печи. Учитывая выполнение загрузочного устройства 2 герметизированным, отходящие газы не попадают в атмосферу. Для предотвращения попадания отходящих газов, скапливающихся в верхней части печи, в атмосферу при переменном открывании верхней и нижней воронок 4 может быть предусмотрена продувка емкости накопителя 6, например, инертным газом (N2) перед последующей загрузкой. Вначале отходы подвергаются нагреву в зоне действия топливных горелок 9, установленных в верхней части шахты 7, при температуре около 1500°С. Часть отходов (быстросгораемые - бумага, листья,«тонкие тряпки) сгорает и разлагается уже в верхней части шахты, а более плотные и крупные компоненты попадают в шахту 7 в зону действия плазменных горелок 10, установленных в надгорновой части, Температура плазменных струй достигает 2500-4500°С. Окислительный потенциал газовой среды в редакционной зоне создается за .счет остаточной влажности отходов (5-10%) и дополнительной подачи в редакционную зону окислителя в виде кислорода, воздуха, паров воды, двуокиси углерода или их смесей и поддерживается на уровне, обеспечивающем окисление всего содержащего в отходах углерода до моноокиси с получением синтез-газа (ССЛ-Н2). После этого часть отходов недоразложившихся в зоне действия плазменных струй попадает на поверхность расплава 20 с температурой до 1500°С, где происходит доразложение на газовую составляющую (в основном органики) и плавление неорганических включений в расплав шлака.

Плазмообразующим газом для всех плазменных горелок является печной газ,

охлажденный и очищенный от пыли, возможно использование и других газов. Окислителем для связывания углерода лучше всего может быть свободный кислород, вводимый через топливные горелки или через

специальные патрубки под срез сопл плазменных горелок или через стенку шахты.

Для повышения производительности процесса энергия в реакционное устройство может вводиться не только с плазменны5 ми струями, но и через топливные горелки 9, в которых сжигается часть образовавшегося при термическом разложении органической части отходов синтезтаза. В качестве окислителей для них лучше исполь0 зовать кислород, но допускается и его замена на воздух или смесь воздуха с кислородом. Наличие газовых горелок позволяет более равномерно распределить температуру по реакционному пространст5 ву, которое герметизировано, и выделяющиеся в процессе разложения огранических компонентов и окисления -углерода газы скапливаются в шахте вместе с плазмообра- зующим газом и создают в реакционной зо0 не избыточное давление. Поверхность расплава шлака 20 в шахте 7 отжимается и при наличии проема (окна 14) в перегородке 13 между рабочими пространствами и ванны 11 часть расплава вытесняется в сосед5 нюю камеру (ванну 11) через окно 14 до его верхнего уровня. Газы из шахты 7 под создавшемся давлением барботируют через слой расплава шлака в ванну, где уровень расплава поддерживается выше, чем в шах0 те (или горновой части) за счет меньшего подпора давления. Перед проемом (окном 14) в перегородке 13 поток газов с непроработанными остатками исходного сырья тормозится, и процесс газификации и

5 плавления завершается.

Этому же способствует барботаж газа через слой расплава. Из ванны 11 расплав шлака 20 сливается по мере накопления через сифонный затвор 16, а отходящие газы,

0 состоящие в основном из СО и На. попадают в подсводовое пространство ванны и проходят над поверхностью расплава с температурой до 1700°С, где дожигаются или доразлагаются сложные углеводороды, по5 павшие из реакционного пространства. Отходящие газы отводятся через газоход 17, вход в который в пространстве смещен относительно зоны барботажа для уменьшения брызгоуноса и, кроме, того находится на дальнем конце от места расположения шахты 7, чтобы обеспечить длительный контакт отходящих газов с горячим расплавом шлака. Высокие температуры над расплавом препятствуют прохождению обратных реакций разложения СО на С02 и углерод, а также образованию оксидов азота. Отходящие газы дополнительно в газоходе 17 подвергаются воздействию электронов из электроразрядника, установленного в газоходе, для окончательного разрушения слож- .ных углеводородов, случайно прошедших или оставшихся после обработки в реакЦи- онном пространстве, в расплаве и над расплавом шлака. Тем самым достигается глубокая переработка отходов с образованием простых газообразных соединений (СО,Н2).

Наличие разницы между уровнями расплавов в рабочем пространстве шахты 7 и ванне 11 обеспечивается выполнением уровня сливного порогосифонной летки для шлака 16 выше на 250-400 мм, чем верхний уровень окна 14 в перегородке 13.Дилй в перегородке между шахтой и ванной). Накапливэющийся металл 22 на подине ванны 1.1 удаляется через летку 15, а шлак - через летку 16.

Предлагаемый способ основан на том, что перерабатываемые отходы сразу подвергают воздействию высоких температур (минуя температуру пиролиза до 1000°С 2000-4500°С), что практически исключает образование и отгонку с отходящими газами смол и тяжелых углеводородов, осложняющих работу систем газоочистки и утилизацию теплоотходящих газов. Неорганические компоненты и зола переходят, в расплав, где происходит их разделение на металл и шлак, которые выпускаются раздельно и могут быть использованы в качестве металлургического полупродукта, а также в качестве строительного материала. Процесс экологически чист и безотходен.

Последовательная переработка (или нагрев) отходов приводит к тому, что вначале сгорают или разлагаются легкоокисляемые компоненты в пламени топливных горелок (бумага, пищевые отходы). Это позволяет не расходовать для нагрева достаточно дорогую энергию плазмотронов. При нагреве в пламене топливных горелок идет выделение остаточной влаги и если влажность мусора превышает 10% - дополнительной подачи окислителя не требуется, если меньше - окислитель подается через плазмотроны или топливные горелки. Испарение органики начинается при температуре 550- 1000°С, т.е: при той температуре (в среднем), которая достигается в верхней части печи. Затем в зоне действия плазменных

струй с температурой 2500-4500°С происходит переход в газовую среду оставшейся части органических компонентов. Если в шахту загружаются отходы, имеющие срав5 нительно большие размеры (до 10-210 см по толщине), они проходят пламя топливных горелок, высокотемпературную зону плазмотронов и дорабатываются на. поверхности расплава, т.е. отходы подвергаются

10 трехкратному разложению при температурах, исключающих образование или сохранение сложных углеводородных соединений лри оптимальной подаче окислителя в реакционную зону. Уровень рас15 .плава шлака поддерживают, с одной стороны, для обеспечения герметизации ре акционного пространства устройством сливного уровня шлака в сифонной летке выше верхнего края окна в перегородке.

0 (Если несколько перегородок, то выше верхнего края окна в последней перегородке). С другой стороны, ограничение уровня расплава шлака 20 свободным выходом плазменных струй объясняется тем, что в

5 плазменных струях идет разложение отходов при температуре 2500-4500°С, в то время как, если бы уровень расплава поднялся, переработка мусора осуществлялась бы при температуре расплава 1500-1600°С, что в

0 свою очередь может вести к снижению эффективности работы устройства и возможному образованию сложных углеводородных соединений.

Для обеспечения экологической чисто5 ты отходящих газов при переработке отходов необходимо, чтобы сложные соединения не вышли из реакционного про- странства или рабочего пространства шахты без обработки в зоне высоких

0 температур, если уровень расплава будет выше уровня установки плазмотронов.

Увеличения производительности слосо- е ба можно достичь при дальнейшем повышении температуры, однако такая задача при

5 современных материалах, используемых для футеровки 8 шахтщ 7 и.горновой части, является трудновыполнимой. Не увеличивая температуры в реакционном пространстве шахты, скорость разложения отходов

0 можно увеличить за счет принудительной циркуляции газов. Так, принуждая газы циркулировать внутри шахты, с одной стороны

увеличивается температура в ее верхней части и .усредняется по всей высоте шахты, а

5 с другой стороны - газообразные продукты разложения отходов подвергаются многократному контакту с высокотемпературными знаками, что дополнительно повышает экологическую чистоту установки за счет длительной по времени обработки газов в

реакционном пространстве печи перед тем, как их пропускают через расплав шлака в ванну 11. Циркуляцию газов можно осуществить как за счет установки дымососов, вы- держивающих высокие температуры, внутри шахты, так и в специально выполненных каналах 23 в футеровке шахты.

Отходящие газы из газохода 17 направляют на газоочистку и дальнейшую утилизацию, а часть заворачивают и используют в качестве рабочего газа плазмотронов 10 и топлива для горелок 9,

, Утилизацию осуществляют сжиганием образовавшегося синтез-газа (СО и На) в котле-утилизаторе либо перерабатывают в химической промышленности, используя для получения различных полимеров.

Для предупреждения захолаживания расплава на дальнем от шахты участка ван- ны в ней на свод или боковой стенке можно монтировать дополнительный плазмотрон 19 или графитовые электроны, (см. фиг, 4), Подогревом расплава обеспечивается беспрепятственный слив последнего из ванны.

При переработке орсодов, содержащих большое количество труднопиролизуемых органических компонентов, для увеличения времени их пребывания в зоне высоких температур ванна 11 может быть выполнена двухканальной (фиг. 2). В этом случае проем в стенке шахты выполняется по всему сечению примыкающего канала, а на дальнем от шахты участке ванны 11 в придонной части вертикальной перегородки 13, пристыкованной торцом к стенке вагины шахты и разделяющей ванны 11 на два канала, имеется окно (или проем 14) для прохода расплава, и зона барботажа переносится за эту перегородку. Нагретый поток газа, имея более высокую температуру, чем расплав, обрабатывает отходы не только в шахте, но и по всей длине примыкающего к ней канала. Перегородка - отстойник 13 препятствует выносу с газом из печи непроработанных твердых остатков, поэтому при необходимости количество перегородок, перекрывающих поперечное .сечение каналов, может быть увеличено и быть более одной. Причем окна в перегородках могут быть выполнены в шахматном порядке относительно общей продольной оси канала для уменьшения взаимного влияния зон барботажа.

Уровень верхних краев окон в последующих перегородках повышается при этом на 50-150 мм по мере их удаления от шахты по ходу движения тока расплава при условии, что сливной порог сифонной летки 16 для шлака остается выше верхнего края окна ближайшей к летке перегородки на 100- 150 мм. Дополнительные плазмотроны или

графитовые электроды устанавливаются в случае выполнения ванны двухканальной, вблизи сифонной летки.

При двухканальной ванне летка для выпуска металла может быть расположена в любом из каналов, но при условии беспрепятственного слива металла 21 из всей ванны. Наиболее приемлемый вариант - когда уровень подины к центру ванны с обоих

0 торцов понижается и летка размещена в центре ванны 11 со стороны первого канала, а в середине продольной перегородки в придонной части имеется отверстие 22 для прохода расплава металла 21 из второго ка5 нала в первый. Могут быть предусмотрены летки в обоих каналах, но размещаются они во всех случаях ниже верхнего края окна 14 в перегородках 13. Летка 15 для слива расплава металла размещается в ванне 11 для

0 того, чтобы обеспечить полное осаждение металла за счет увеличение времени плавления и расстояния от места выпуска и начала плавки, таким образом,чтобы дать осесть металлу на дно и не откачать его с распла5 вом шлака 20, что и увеличивает коэффициент извлечения металлов из отходов.

Металл по мере накопления периодически выпускается из печи. Легкие высокоактивные металлы. (А1з, Ti и др.); в процессе

0 окисляются и переходят в шлак или частично образуют сплавы с более тяжелыми металлами и собираются в придонном слое, а затем удаляются вместе, с тяжелыми металлами.

5 Кроме того, в предлагаемом устройстве (фиг. 3) в футеровке 8 шахты 7-выполняются полые каналы 23, идущие из нижней части шахты над уровнем расплава шлака 20, на высоте Н, равной 0,2-0,3 м. Размещение

0 входных отверстий каналов над расплавом шлака позволяет вовлекать в циркуляцию газы, образующие в реакционной зоне над поверхностью расплава. Входные отверстия каналов можно располагать по всему

5 периметру шахты, несколько смещая их от зоны стыковки ванны 11 и шахты 7, чтобы в них не попадали непрореагировавшие остатки отходов, направляющиеся в окно перегородки 13 вместе с газовым потоком

0 чер еэ расплав.

В верхней части шахты каналы заканчиваются в месте установки топливных горелок 9 и количество выходов может соответствовать количеству установленных

5 топливных горелок, так как горелки устанавливают на выходе каналов, выполненных в виде сопла Лавалй 24. Это позволяет системе канал-сопло-горелка работать как дымосос, т.е. газы из нижней части шахты засасываются и подаются вверх.

Тем самым обеспечивается многократное прохождение образующихся газов через зоны высоких температур, что способствует повышению глубины переработки отходов и, как следствие, увеличивается экологическая чистота отходов установки по утилизации бытовых отходов.

Для проверки работоспособности способа была произведена переработка мусора на лабораторном реакторе.

Пример. Для переработки использовались отходы общей массой 2 кг, состав которых отражен в таблице.

Отходы непрерывно вводили шнековым питателем в цилиндрический вертикальный реактор, с установленным в нем плазмотроном мощностью 15 кВт, работающим на водороде, с предварительно наведенной ванной расплава из битого стекла. На выходе отходящих газов был установлен электроразрядник, работающий на напряжении 1200 В и токе 0,5 А. К реактору сбоку была пристыкована водоохлаждающая цилиндрическая камера с внутренней обмазкой огнеупорным глиноземом. Камера соединялась гидравлически с реактором отверстием, размещенным ниже уровня расплава в реакторе. В процессе работы температура расплава составила 1450-1530°С. На выходе из камер ы отходящие газы анализировались хроматогрэфическим методом.

Расход водорода на плазмотроне 4 м3/ч. Окислитель (Оа) в процессе работы подавался через отдельный ввод на уровне плазмотронов в объеме 530 л/ч. Давление в реакторе составило 0,15 атм.

После окончания опыта и вскрытия камеры твердого остатка на поверхности расплава не обнаружено. В реакторе на поверхности расплава масса твердеющего остатка составила 47 г. Следов ацетилена или других углеводородных соединений не обнаружено.

На основании результатов анализа отходящих газов установлено, что газы состояли из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода, двуокиси серы в количестве: Н2 42%, СО 56.2%. С02 1.7%. 02 0,1%, остальное азот.

Преимуществом предлагаемого изобретения является экологическая чистота .процесса за счет последовательного нагрева отходов в зонах высоких температур и разрушения сложных углеводородных соединений до простых, высокая производительность переработки за счет увеличения рабочей площади поверхности расплава путем пристыковывания к шахте ванны, а также широкая область применения, позволяющая перерабатывать отходы

с различным содержанием различного вида пластмасс и металлов, т.е. нерассортированный мусор.

Формула изобретения 51. Способ термической переработки бытовых отходов в шахтной печи, включающий подготовку, загрузку в шахту, нагрев-в плазменных струях в окислительной среде с последующим выпуском образующихся

10 расплавов шлака и металла и газов с очисткой и утилизацией последних, отличающийся тем, чти, с целью улучшения экологической чистоты процесса за счет терми- ческрг,о разложения составляющих отходов,

5 повышения эффективности их утилизации за счет получения ценных продуктов и увеличения скорости переработки отходов, расширения области применения за счет обеспечения переработки отходов, расши0 рения области применения за счет обеспечения переработки нерассортированных отходов, переработку ведут в герметизированном реакционном пространстве, а газы пропускают сначала через образовавшийся

5 расплав.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на отходящие газы после пропускания их через расплав воздействуют электроискровым разрядом.

0 3-. Способ по пп. 1-2, отличающийся тем, что отходы предварительно нагревают в пламени топливных горелок.

4.Способ по пп. 1-3, отличающий- с я тем, что часть отходящих газов после

5 очистки возвращают в реакционное пространство.

5.Способ по пп. 1-4, отличаю щи й- с я тем, что шлак перед выпуском подогревают.

0 6. Способ по пп. 1-5. отличающий- с я тем, что в реакционной зоне осуществляют циркуляцию газов.

7. Устройство для термической переработки бытовых отходов, включающее шахту

5 с загрузочным устройством в верхней части, плазменные горелки, установленные в над- горной зоне шахты по ее периметру, летку для выпуска шлака и газоход для отходящих газов,отличающееся тем,что, с целью

0 улучшения экологической чистоты процесса за счет термического разложения составлят ющих отходов, повышения эффективности утилизации отходов за счет получения ценных продуктов и увеличения скорости их

5 переработки, расширения области применения за счет обеспечения переработки нерассортированных отходов, оно снабжено примыкающей к горну шахты подсводовой ванной с леткой для выпуска расплава металла, а герметизированное рабочие пространства шахты и«аннм ;ра.зделены; вертикальной перегородкой с окном в придонной части с образованием гидрозатвора, причем летка для выпуска шлака выполнена сифонной и расположена на дальнем от шахты конце ванны с уровнем сливного порога выше перегородки, а газоход установлен перед этой леткой.

8.Устройство по п. 7, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что ванна снабжена дополнительными вертикальными перегородками с окнами, верхний уровень которых в каждой перегородке .выше уровня в предыдущей, при этом окна расположены несоосно друг другу.

9.Устройство по пп. 7-8, отличающееся тем, что в газоходе установлено электроразрядное устройство.

-Д(ХчУ сдррйсТ;ВО(;Пр;п.7-9,,,р,т л и ч а ю - щ е ее я тем, что в ванне со сливным порогом сифонной летки установлен по крайней мере, один электропечной электрод или плазмотрон.

р .

11.Устройство по пп. 7-10, отличающееся тем, что по периметру шахты над плазмотронами расположены топливные горелки.

12.Устройство по пп. 7-11, отличаю-, щ ее с я тем, что в футерованных стенках шахты выполнены вертикальные каналы-газаходы, вход в которые находится выше окна перегородки в шахте, а выход выполнен в форме сопла Лаваля с установленной в нем топливной горелкой.

Использование: Изобретение относится к области переработки бытовых отходов и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для утилизации мусора. Сущность: термическая переработка бытовых отходов включает подготовку и загрузку в шахту при герметизации реакционного пространства печи. Нагрев последовательно в спутном потоке пламени топливных горелок, плазменных горелок и на поверхности расплава;; шлака в окислительной среде. Возможна также циркуляция образующихся газов в реакционном пространстве, после чего газообразные продукты Пропускают через образовавшийся расплав, уровень которого поддерживают регулированием, затем отходящие газы пропускают через зону электроискрового разряда. Отходящие газы поступают в систему газоочистки и на утилизацию. Часть из них после очистки возвращают в реакционную зону через плазменные и топливные горелки. Расплав шлака и металла выпускают из печи, причем перед выпуском шлака возможен его подогрев, 4 ил.

1

н

xiVX« v фиг.-/

/3

/

23

8

16

/J

Фие.З